李迎喜  毛冬梅

                   (煤炭科學(xué)研究總院唐山研究院,河北唐山　063012)

    摘要：應(yīng)用Pro/E軟件,對(duì)臥式振動(dòng)離心機(jī)進(jìn)行參數(shù)化建模和可視化設(shè)計(jì),在離心機(jī)的設(shè)計(jì)階段 實(shí)現(xiàn)了干涉檢測(cè),并對(duì)關(guān)鍵零部件進(jìn)行了有限元分析,提高了產(chǎn)品的設(shè)計(jì)品質(zhì),減少了設(shè)計(jì)缺 陷,縮短了設(shè)計(jì)周期,進(jìn)一步提高了產(chǎn)品的設(shè)計(jì)質(zhì)量和可靠性。

    關(guān)鍵詞：臥式振動(dòng)離心機(jī);實(shí)體建模;模擬裝配;有限元分析

    中圖書(shū)分類號(hào)：TD455　文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

    隨著選煤市場(chǎng)的迅速發(fā)展和競(jìng)爭(zhēng)的日益激烈, 對(duì)選煤設(shè)備大型化、高效化的要求日益迫切。如何 緊跟市場(chǎng)變化,提高產(chǎn)品品質(zhì),增強(qiáng)產(chǎn)品的市場(chǎng)競(jìng) 爭(zhēng)能力,縮短產(chǎn)品開(kāi)發(fā)周期,降低生產(chǎn)成本,已經(jīng) 成為選煤設(shè)備制造企業(yè)十分重視的問(wèn)題。然而,目 前國(guó)內(nèi)大多數(shù)企業(yè)在進(jìn)行整機(jī)設(shè)計(jì)時(shí),基本上還停 留在靜態(tài)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上,利用二維圖紙表達(dá)設(shè)計(jì)思 想、指導(dǎo)生產(chǎn)。雖然二維圖紙也能表達(dá)很多信息, 但存在著一些弊端,例如,對(duì)于復(fù)雜件,設(shè)計(jì)人員 很難將二維視圖轉(zhuǎn)化成三維實(shí)體,而且二維圖形不 能表達(dá)空間機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng),也不能對(duì)產(chǎn)品裝配進(jìn)行干涉 檢驗(yàn)[1, 2]。

    計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展及其在產(chǎn)品設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)中的應(yīng)用,對(duì)于提高繪圖效率,解決復(fù)雜計(jì)算過(guò)程,修改設(shè)計(jì),促進(jìn)設(shè)計(jì)工作的規(guī)范化、標(biāo)準(zhǔn)化和可視化發(fā) 揮了重要的作用。文章將基于美國(guó)PTC公司的 PRO/E (WILDFIRE)軟件,詳細(xì)闡述和介紹CAD 技術(shù)在臥式振動(dòng)離心機(jī)產(chǎn)品設(shè)計(jì)中具體應(yīng)用和效果。

    1　實(shí)體建模和模擬裝配

    應(yīng)用Pro/E軟件對(duì)臥式振動(dòng)離心機(jī)進(jìn)行三維可 視化設(shè)計(jì)。Pro/E具有基于特征、全參數(shù)和全相關(guān)等特點(diǎn),參數(shù)化是Pro/E三維設(shè)計(jì)的基本思想。三維設(shè)計(jì)中的參數(shù)化設(shè)計(jì)模塊,使得零件的設(shè)計(jì)尺寸 可以隨著某些結(jié)構(gòu)尺寸約束的修改而自動(dòng)修改,無(wú)需刪除原來(lái)的線條進(jìn)行重新定義,它建立在統(tǒng)一基層的數(shù)據(jù)庫(kù)上,工程中的所有資料都來(lái)自一個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù),整個(gè)設(shè)計(jì)過(guò)程中的任意一處發(fā)生改動(dòng),都可以系統(tǒng)地反映在整個(gè)設(shè)計(jì)過(guò)程的相關(guān)環(huán)節(jié)上。

    1·1　三維實(shí)體建模

    在臥式振動(dòng)離心機(jī)設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)過(guò)程中,使用 Pro/E軟件進(jìn)行產(chǎn)品設(shè)計(jì)與傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方式完全不 同,其主要特點(diǎn)在于設(shè)計(jì)人員在設(shè)計(jì)過(guò)程中把零件 由毛坯開(kāi)始加工成所需要的零件,能非常直觀地發(fā) 現(xiàn)問(wèn)題,及時(shí)加以糾正。

    在設(shè)計(jì)過(guò)程中,首先根據(jù)功能要求,創(chuàng)建關(guān)鍵 零部件的實(shí)體模型,同時(shí)考慮加工工藝,反復(fù)進(jìn)行 結(jié)構(gòu)調(diào)整和參數(shù)優(yōu)化,直到設(shè)計(jì)出結(jié)構(gòu)合理、工藝 性強(qiáng)和生產(chǎn)便利的產(chǎn)品。

    圖1是臥式振動(dòng)離心機(jī)主軸實(shí)體圖。主軸是離心機(jī)的重要零部件之一,其設(shè)計(jì)品質(zhì)的好壞直接關(guān) 系到離心機(jī)工作的穩(wěn)定性。利用實(shí)體模型能更好地 進(jìn)行結(jié)構(gòu)和參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì),提高設(shè)計(jì)品質(zhì)。

                   

    1·2　模擬裝配及優(yōu)化設(shè)計(jì)

    分別建立好各個(gè)零件的實(shí)體模型后,就可以進(jìn)行三維實(shí)體的裝配了。用Pro/E軟件中的裝配模塊對(duì)各零部件進(jìn)行三維實(shí)體裝配的順序一般是:首先,建立一個(gè)總裝任務(wù),在其下面建立相應(yīng)的各組件或部件的子裝配任務(wù);然后,把相關(guān)零件裝配成部件,再把相關(guān)部件裝配成組件;最后把各組件裝配成整機(jī)。在裝配過(guò)程中,要注意裝配的第一個(gè)元 件是以后不會(huì)被刪除的元件,所以在裝配前要做好規(guī)劃。

    在新產(chǎn)品設(shè)計(jì)研發(fā)過(guò)程中,設(shè)計(jì)人員無(wú)法對(duì)產(chǎn)品零部件形成直觀的認(rèn)識(shí),不能對(duì)產(chǎn)品零部件的結(jié)構(gòu)、尺寸等進(jìn)行有效的把握,在裝配中,特別是復(fù)雜零部件的裝配,零部件間的干涉是很難避免的。在過(guò)去,往往要到零部件加工結(jié)束后實(shí)際裝配時(shí)才能發(fā)現(xiàn),這不僅造成經(jīng)濟(jì)損失,更重要的是延誤了研制周期和制造周期。作為參數(shù)化和全相關(guān)的軟件, Pro/E可以實(shí)現(xiàn)在裝配模式下修改零件尺寸、裝配尺寸,把問(wèn)題消滅在設(shè)計(jì)過(guò)程中,達(dá)到優(yōu)化設(shè)計(jì)的目的。

    Pro/E具有強(qiáng)大的模擬裝配及動(dòng)態(tài)仿真功能, 通過(guò)旋轉(zhuǎn)、放大可以清楚地看到裝配中的不合理情 況,這對(duì)保證產(chǎn)品在生產(chǎn)過(guò)程中一次裝配成功尤為 重要。圖2是經(jīng)過(guò)優(yōu)化的、工藝性能良好的臥式振 動(dòng)離心機(jī)振動(dòng)體實(shí)體裝配圖。為了看清裝配圖內(nèi)部 的零件結(jié)構(gòu),還可生成裝配爆炸圖(圖3)。

                 

    Pro/E除了能進(jìn)行實(shí)體建模和裝配外,還可生 成二維視圖,它比傳統(tǒng)的二維圖先進(jìn),且效率成倍 增長(zhǎng),實(shí)體和圖樣絕對(duì)一致,圖面錯(cuò)誤大大減少, 避免了設(shè)計(jì)人員的實(shí)體概念與產(chǎn)品圖表達(dá)的偏差, 使設(shè)計(jì)人員從繁瑣的圖文處理中解脫出來(lái),把更多 的時(shí)間用在概念設(shè)計(jì)上。圖4為臥式振動(dòng)離心機(jī)鎖 緊螺栓二維視圖。

    2　關(guān)鍵件的有限元分析

    Pro/MECHANICA Structure是一個(gè)有CAD模塊為奧援的結(jié)構(gòu)分析有限元模塊,它專門用來(lái)進(jìn)行零件和組件模式下的結(jié)構(gòu)分析,其分析種類有靜態(tài)分析、模態(tài)分析、屈曲分析、接觸分析、預(yù)應(yīng)力分析及振動(dòng)分析等。

                  

    臥式振動(dòng)離心機(jī)的關(guān)鍵部件是振動(dòng)體和主軸, 其結(jié)構(gòu)的合理性和強(qiáng)度直接影響整機(jī)的使用壽命。因此應(yīng)用Pro/MECHANICA Structure對(duì)振動(dòng)體和主軸進(jìn)行靜力分析和模態(tài)分析具有十分重要的意義。有限元分析的基本步驟如圖5所示。

               

    對(duì)主軸、振動(dòng)體進(jìn)行分析時(shí),首先要定義好主軸、振動(dòng)體的框架、截面性質(zhì),并對(duì)其增加重力和施加約束,然后做結(jié)構(gòu)分析,以確定主軸和振動(dòng)體將產(chǎn)生的位移、變形及所受應(yīng)力的大小,這有助于我們分析主軸的結(jié)構(gòu)是否合理,能否保證強(qiáng)度要求;有助于找出振動(dòng)體的應(yīng)力分布和自然頻率,判斷振動(dòng)體結(jié)構(gòu)是否合理;有助于找出工作頻率和固振頻率,防止工作頻率和固振頻率疊加而產(chǎn)生共振,影響使用壽命。分析結(jié)果如表1、圖6所示。

                  

    針對(duì)有限元分析過(guò)程中發(fā)現(xiàn)的問(wèn)題,可以對(duì)零部件的結(jié)構(gòu)、材料等進(jìn)行修改,直到結(jié)果滿足設(shè)計(jì)要求為止,從而確保了設(shè)計(jì)產(chǎn)品的可靠性。



    3　Pro/E軟件應(yīng)用于產(chǎn)品設(shè)計(jì)研發(fā)的優(yōu)越性 Pro/E具有二維工程設(shè)計(jì)繪圖、三維實(shí)體造型 的動(dòng)態(tài)裝配和應(yīng)力分析等功能模塊,盡管目前我們 只在三維實(shí)體造型、模擬裝配、有限元分析方面進(jìn) 行了初步應(yīng)用,但是從使用效果來(lái)看, Pro/E在實(shí) 現(xiàn)產(chǎn)品設(shè)計(jì)自動(dòng)化方面已經(jīng)發(fā)揮了重要作用。

    3·1　Pro/E軟件可以優(yōu)化產(chǎn)品的設(shè)計(jì)方法,縮短 產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)周期

Pro/E軟件為設(shè)計(jì)人員提供了協(xié)同工作環(huán)境, 極大地改進(jìn)了產(chǎn)品的設(shè)計(jì)過(guò)程,可以使設(shè)計(jì)人員在 設(shè)計(jì)過(guò)程中并行工作。協(xié)同工作的環(huán)境可以使設(shè)計(jì) 人員在產(chǎn)品開(kāi)發(fā)的全過(guò)程相互保持聯(lián)系,以確保與產(chǎn)品開(kāi)發(fā)的所有設(shè)計(jì)人員均使用統(tǒng)一的產(chǎn)品設(shè)計(jì)數(shù)據(jù),從而保證產(chǎn)品數(shù)據(jù)的一致性。利用Pro/E軟件進(jìn)行三維實(shí)體造型、模擬裝配和有限元分析,能及時(shí)發(fā)現(xiàn)、并解決產(chǎn)品設(shè)計(jì)時(shí)存在的問(wèn)題,可縮短產(chǎn)品開(kāi)發(fā)周期60%左右[2],并且產(chǎn)品的設(shè)計(jì)品質(zhì)也可得到保證與控制。

    3·2　Pro/E軟件可以增強(qiáng)對(duì)數(shù)字化產(chǎn)品的分析能 力,提高產(chǎn)品的設(shè)計(jì)品質(zhì)

利用Pro/E軟件可以開(kāi)發(fā)出未來(lái)的數(shù)字樣機(jī), 利用這種方法進(jìn)行設(shè)計(jì),可以在沒(méi)有制造出實(shí)物樣 機(jī)和實(shí)際投產(chǎn)之前,讓有關(guān)人員獲得關(guān)于產(chǎn)品外 形、性能和成本等方面的詳細(xì)資料,從而縮短產(chǎn)品 的開(kāi)發(fā)周期。產(chǎn)品品質(zhì)隨著研制開(kāi)發(fā)的全過(guò)程而得 到自然的、內(nèi)在的保證與控制。

    4　結(jié)束語(yǔ)

    應(yīng)用Pro/E軟件對(duì)臥式振動(dòng)離心機(jī)零部件進(jìn)行 三維可視化設(shè)計(jì)和模擬裝配,可以直觀地顯示臥式 振動(dòng)離心機(jī)的模型和實(shí)際操作過(guò)程,實(shí)現(xiàn)了臥式振 動(dòng)離心機(jī)在設(shè)計(jì)階段就能可視地對(duì)它進(jìn)行干涉檢 測(cè),從而為實(shí)物的制造和安裝提供了一切必要的準(zhǔn) 備。同時(shí),對(duì)關(guān)鍵零部件進(jìn)行有限元分析還可以進(jìn) 一步對(duì)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化,以確保產(chǎn)品的質(zhì)量和可 靠性。

參考文獻(xiàn):

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